轿车车内噪声模型建模与实验对比分析_温福军 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言汽车在行驶过程中会产生各种噪音，从而对车内乘客造成影响。陈双籍1指出，在汽车匀速行驶状态下，车内声音有较好的品质；Lee2对车辆加速行驶状况的噪音性能进行客观分析；高印寒3对车辆噪音进行主观评价，针对声音品质构建了数学模型。车内噪声计算分析的工具中，有限元方法和边界元方法主要适用于汽车低频声振特性分析，在中高频段声振研究中受到限制4。车外噪音主要计算方法包括声全息技术、点声源等理论计算方法和实验方法，这些方法也是各大汽车生产商主要用于计算车外噪音检测的方法，但这些方法必须建立在整车样车生产之后的实验研究，不能满足产品开发设计之前的优化设计。统计能量分析是一种适用于汽车整车中高频噪声分析和预测的方法5，最早应用于航空航天领域，近年来在汽车工业中也得到广泛应用和发展，统计能量分析是从能量角度分析振动与声的有效统计方法6。1 计算程序统计能量分析（SEA）是个模块化分析方法，采用模态密度、内部损耗系数、耦合损耗系数、输入功率等作为参数。模态密度是各要素的单位频率中的模态数，类似于热力学中的热容量，它是描述振动系统存储能量能力大小的物理量。内部损耗系数和耦合损耗系数类似于热力学中系统自身的能量损耗和子系统间能量传递损耗。如图 1 所示为基本的计算程序框图。1.1 功率平衡方程式SEA 主要理论来源于功率流平衡方程，2 个子系统之间的功率流平衡方程为EEPP111212212211212+-+=()(1)式中：1子系统 1 的内损耗因子；12子系doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.002轿车车内噪声模型建模与实验对比分析温福军1，黄建文2（1.510642 广东省 广州市 广州番禺职业技术学院；2.510642 广东省 广州市 广汽集团汽车工程研究院）摘要 通过程序框图计算了多个子系统功率流平衡方程，建立了轿车SEA（Statistical Energy Analysis，SEA）系统模型，含车身结构模型和车内声腔模型，计算了模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子及外部激励参数并进行仿真分析。将分析结果和实验进行对比，结果证明在 200 Hz 和 20 kHz 中高频范围里车内噪声实验值和预测值基本吻合，整体相对值相差不到 5%。对汽车产品初步开发、优化设计有借鉴意义。关键词 车内噪声；统计能量分析；损耗因子；建模 中图分类号 TB53；U461.4 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0007-04引用格式：温福军,黄建文.轿车车内噪声模型建模与实验对比分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):7-10.Comparative analysis of car interior noise model modeling and experimentWEN Fujun1,HUANG Jianwen2(1.Guangzhou Panyu Polytechnic,Guangzhou 510642,Guangdong,China;2.Guangzhou Automobile Group Co.Automotive Engineering Institute,Guangzhou 510642,Guangdong,China)Abstract Based on the program flowchart,the power flow balance equation of multiple subsystems was calculated,the car SEA(statistical energy analysis,referred to as SEA)system model was established,including body structure model and the car spoke model,the modal density,internal loss factor,coupling loss factor,and the extrinsic parameters were calculated and analyzed by simulation.Comparing the results of the analysis and experimental results show that,in 200 Hz and 20 kHz high-frequency range,the experimental values coincided basically with the predicted interior noise,and the overall relative difference was less than 5%,which has a relatively good reference significance to the preliminary development and optimization design for automotive products.Key words interior noise;statistical energy analysis;loss factor;modeling项目基金：国家自然科学基金项目（5167050018）；广州番禺职业技术学院校级项目（1007/210224256）收稿日期：2022-02-108农业装备与车辆工程 2023 年统 1 到子系统 2 的耦合损耗因子；2子系统 2的内损耗因子；21子系统 2 到子系统 1 的耦合损耗因子；1/3 倍频带中心圆频率。P1子系统 1 输入功率；P2子系统 2 的输入功率；E1子系统 1 的储存能量；E2子系统 2 的储存能量。N 个子系统之间的功率流平衡方程：EEEPPP1,jjnnjjjnnnnnnjjjnnnn11212112221221211212+-+-+=KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO|(2)其中：i子系统 i 的内损耗因子；12子系统 1 到子系统 2 的耦合损耗因子；Pi子系统 i的输入功率；Ei子系统 i 的储存能量；ij 子系统 i 到子系统 j 的耦合损耗因子。2 建立 SEA 系统模型2.1 轿车车身结构 SEA 模型的建模轿车车身结构主要包括如下子系统：左右前门，左右后门，左右前门玻璃，左右后门玻璃，左右翼子板，左右侧围，左右前轮，左右后轮，发动机罩，顶棚，前围，地板，后备箱门，衣帽架，左右前座椅，左右后座椅，左右前轮罩，左右后轮罩，主副仪表台等。其中大部分为钣金件，部分为内饰件。侧围一般分成 A、B、C 柱 3 大部分，各部分连接处恰当避免影响腔体划分。在 C 柱部分需预留位置用于后座椅靠背连接的连接处，如图2所示。由前围子系统声学包的材料厚度及钣金件决定发动机舱的腔体分布，前围可分成上下共 3 层，左右共 4 层，建模应考虑到主仪表台的布置情况，如图 3 所示。前座椅安装所在的面不与地板连接，前座椅可以独立形成一个封闭的腔体，后座椅下端面与后地板紧密贴合，故形成腔体时与地板围成封闭空间即可，如图 4 所示。以 B 柱为分界线，结合顶棚的声学包材料分布，B 柱与 C 柱之间面积较大，需分成 2 层，如图 5 所示。车门子系统中深灰色部分为主副仪表台，浅灰色部分为车门，前车门与主仪表台的侧面紧密贴合，如图 6 所示。2.1 轿车车内声腔建模乘用空间可分为 10 个腔体，为了获得 4 个座位和前后挡风玻璃所在空间的响应数据，左右腔体图 1 计算程序框图Fig.1 Application block diagram建立车辆统计能量分析模型子系统基本参数子系统模态密度、内部损耗因子、耦合损耗因子计算驾驶室噪声特性计算（以声压级表示）Stop激励输入图 2 侧围子系统的 SEA 模型Fig.2 Side surround subsystem model of SEAzxy图 3 前围子系统的 SEA 模型Fig.3 Front wall subsystem model of SEAzxy图 4 前后座位子系统的 SEA 模型Fig.4 Front and rear seat subsystem model of SEAzxy图 5 顶棚子系统 SEA 模型Fig.5 Ceiling subsystem model of SEAxyz图 6 车门子系统 SEA 模型Fig.6 Car door subsystem model of SEAz9第 61 卷第 3 期可对称分布，如图 7 所示。将 3 个平面共同进行划分，车身左右对称所在 XZ 平面，后座椅靠背所在YZ平面，座椅肩部所在XY平面。车内的主仪表台、副仪表台、座椅是单独的几个子系统。乘用空间与行李箱是由衣帽架和后座椅靠背完全分隔，行李箱空间较大，共有 5 个腔体，其中用于存放后备箱的位置的钣金件与行李箱的内饰板可以独立形成一个腔体，其余的 4 个腔体由两个平面进行划分，平面的具体位置为：后挡玻璃下沿所在的 YZ 平面，车身左右对称所在的 XZ 平面，如图 8 所示。发动机舱腔体划分较为复杂，共由 24 个腔体组成。沿着 X 轴正方向可分为 3 部分，第 1 部分为汽车前保与发动机前端之间，第 2 部分为发动机前端到发动机后端之间，第 3 部分为发动机后端到前围之间，如图 9 所示。轿车车外腔体的划分情况如图 10 所示，车身两侧的腔体厚度 800 mm，车身上下的腔体厚度为 700 mm,车身前后的腔体厚度为 1 000 mm。3 参数计算与测试3.1 轿车车内声腔建模3.1.1 模态密度模态密度描述的是子系统外部接收能力而引起震动的能力，梁横向模态密度表达方程式是ddn fnn KK22=()(3)式中：f 频率；K弯曲波数。将 A 柱简化成一维梁，其模态密度随回转半径R的变化而变化，并进行计算，结果如图11所示。3.1.2 内损耗因子对于子系统 i，其内损耗因子主要由 3 个独立阻尼因子构成，表达式为i=ia+ib+ic (4)式中：i子系统 i 内损耗因子；ia结构子系统边界连接阻尼因子；ib由子系统本身结构内摩擦构成阻尼因子；ic结构子系统振动声音辐射产生阻尼因子。其中，ic可以通过查找材料结构确定，ia和 ib可以通过计算获得。3.1.3 耦合损耗因子在轿车中主要是点对点的线性耦合损耗因子，由子系统 i 的振动传导到 j 的损耗因子，即子系统除 i 之外都固定约束。SC L2ijijijIJ=(5)式中：iji 到 j 的耦合损耗因子；Cj子系统j 的弯曲度；Liji 点到 j 点的长度；ij子系统 i 到子系统 j 的传播系统；31倍的频带中图 7 车内乘用空间腔体划分Fig.7 Car cavity by using space partition图 8 轿车车内行李箱腔体划分Fig.8 Sedan car trunk cavityz图 9 发动机舱腔体整体划分Fig.9 Whole engine compartment cavity divisionxz图 10 轿车车外腔体的划分Fig.10 Division of sedan car cavity图 11 A 柱的模态密度Fig.11 Modal density of A column 温福军 等：轿车车内噪声模型建模与实验对比分析10农业装备与车辆工程 2023 年心圆速率；Si子系统 i 的表面积。计算可得 B柱到A柱、前挡风玻璃与顶板之间的耦合损耗因子，如图 12 所示。3.2 外部激励参数模型外部激励主要有 3 种，首先是发动机舱声辐射激励，其次是动力总成悬置和路面不平度对车身的激励，以及高速行驶时车外风对车身的激励。